摘 要

近年来，硫醇自组装单分子膜因其具有良好的稳定性、表面均匀一致、低缺陷、超薄膜结构和成膜方法简单等特点受到了广泛的关注。利用疏水单层为基底，可将磷脂与硫醇利用疏水相互作用连接形成稳定的硫醇/磷脂混合双层膜。该膜结合了自组装膜的优点，在结构上与天然生物膜相似，是研究细胞膜结构及功能的良好模型体系，同时有望进一步发展成新型的生物传感器。本文以金片为基底，以自组装技术为核心，制备了2种硫醇自组装单分子膜，并在这两种SAMs上构建硫醇/磷脂混合双层膜。主要内容包括：

1、介绍自组装膜和混合双层膜的制备以及混合双层膜的性质及应用。

2、在金片上用十二硫醇和十八硫醇制备两种自组装单分子膜，通过原子力显微镜（AFM）和自动接触角仪（CA）进行表征，通过分析硫醇SAMs已经形成。

3、采用囊泡融合的方法，在两种自组装膜上构建二棕榈酰磷脂酰胆碱（DPPC）和卵磷脂（PC）磷脂的混合双层膜，分别是：DPPC/十二硫醇HBM、PC/十二硫醇HBM、DPPC/十八硫醇HBM以及PC/十八硫醇HBM，通过石英晶体微天平（QCM）、原子力显微镜（AFM）分析发现在十八硫醇上形成的HBM效果更好。

4、采用涂抹－冷冻法，在十八硫醇SAMs上构建PC磷脂的混合双层膜，方法简单，膜面积更大，更为平整。

关键词：自组装单分子膜；混合双层膜；石英晶体微天平；原子力显微镜

Abstract

Recently，thiol compounds that bind on the gold surface by polar covalent bound to form Au/thiol self-assembled monolayers(SAMs) has received extensive attention due to its great stability, uniform surface, ultrathin structure and simple preparation. SAMs can act as hydrophobic monolayer substrates for the formation of the stable phospholipid-containing bilayers, which is based on the hydrophobic interaction between the alkanethiols and phospholipids. This hybrid bilayer membrane (HBM) combines the advantages of the Au/alkanethiols SAMs and has the resemblance of biomembrane，which has the potential possibility to be a novel biosensor. In this work, we centered on SAMs technique and used 2 alkanethiol compounds that bind on the gold surface of quartz crystal microbalance (QCM).This paper mainly includes the following aspects:

1.In this paper, we review the development of SAMs, the preparation of the SAMs and the HBM, then present the properties and applications of HBM.

2. the SAMs on gold prepared by 1-dodecanethiol and octadecanethiol were characterized by AFM and CA. It shows that alkanethiol molecules had been steadily binded on the gold.

3. The hybrid bilayers were constructed on the SAMs by fusion of vesicles of dipalmitoyl(DPPC) or lecithin(PC), which form the top layer. These HBM are 1-dodecanethiol/DPPC HBM, 1-dodecanethiol/PC HBM, octadecanethiol/DPPC HBM, octadecanethiol/PC HBM. The morphology was characterized by QCM,AFM and CA.It shows that octadecanethiol/phospholipid HBM is better than others.

4.Comparing the fusion of vesicles , the octadecanethiol/PC HBM prepared by the painted- freeze method has the simple preparation and larger membrane surface.

Key words：Self-Assembled Monolayers; Hybrid Bilayer Membrane; Quartz Crystal Microbalance; Atomic Force Microsc

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 自组装单分子膜（SAMs） 1

1.3混合双层膜（HBM）的制备 3

1.3.1 Langmuir-Blodgett(L-B)方法 3

1.3.2 囊泡融合法 4

1.3.3 涂抹法 4

1.3.4 涂抹－冷冻法 5

1.3.5 冷冻法 5

1.4 混合双层膜（HBM）的性质及应用 5

1.5 本课题的研究内容、目标及技术路线 6

第2章 硫醇自组装单分子膜（SAMs）的制备 7

2.1 实验装置与试剂 7

2.2 实验原理 8

2.3 实验步骤 8

2.3.1 QCM芯片的处理 8

2.3.2 Au-S键自组装界面的制备 9

2.4 实验结果与分析 9

2.4.1 原子力显微镜（AFM）表征QCM金面形貌 9

2.4.2 接触角（CA）测定界面的亲疏水性 10

2.5 本章小结 11

第3章 囊泡融合法制备硫醇/磷脂混合双层膜（HBM） 12

3.1 实验装置与试剂 12

3.2 实验原理 14

3.3 实验步骤 14

3.4 实验结果与分析 15

3.4.1 动态光散射（DLS）检测囊泡粒径大小 15

3.4.2石英晶体微天平（QCM）测定囊泡在SAMs的吸附量 15

3.4.3原子力显微镜（AFM）表征HBM表面形貌 18

3.5 本章小结 22

第4章：涂抹-冷冻法制备硫醇/磷脂混合双层膜 23

4.1实验装置与试剂 23

4.2实验原理 24

4.3实验步骤 24

4.4实验结果与分析 25

4.4.1原子力显微镜（AFM）表征HBM表面形貌 25

4.5本章小结 26

第5章 结论与展望 27

5.1 结论 27

5.2 展望 27

第1章 绪论

1.1 研究背景

生物膜在生物信息传递和交流中起着非常重要的作用，为研究生命现象，就必须探明发生在生物膜上的生理过程。生命体内具有各式各样各具特色的生物膜结构，它们的组成、结构和功能各不相同且极为复杂，由于生物膜本身复杂的组成、结构和功能，在生物膜上直接观测和研究就变得十分困难，但是生物膜主要由以类脂分子层为基本骨架结构的脂质和蛋白质构成，因此在实验室制备人工仿生膜是对生物膜进行各种研究探索的基础和前提，以便根据不同需求和目的对生物膜进行各种模拟实验^[1]。基于磷脂是生物膜的重要组成部分，为避免生物膜中多组分之间的相互关系，通常利用两种双层脂质膜的实验系统：脂质体（Liposome）和人工平板类脂膜（Planar Bilayer）。

作为仿生膜的一种形式，双层类脂膜在分子尺寸及组织模型上都类似天然生物膜，且具有一些生物膜的基本特性。平板双层膜又可以分为非支撑双层膜（又称黑膜，Black Lipid Membranes，BLM）、固相支撑双层膜（Solid Supported Bilayer Membranes，SSBM）以及混合双层膜（Hybrid Bilayer Membrane，HBM）。其中混合双层膜（HBM）以自组装技术为核心，在自组装单分子膜上构建一层磷脂单分子层，形成混合双层膜，其结合了自组装单分子膜的优点，与成膜难、稳定性差的传统双层磷脂膜（BLM）和阻碍离子的跨膜运输功能的固相支撑双层膜（SSBM）相比具有明显优势，它是本论文研究重点。

1.2 自组装单分子膜（SAMs）

自组装单分子膜(Self-Assembled Monolayers ,SAMs)技术普遍认为首先起源于1946年，Zisman发现了表面活性剂自组装在金属表面制备出单分子膜的方法^[2]，但SAMs技术真正兴始于1980年，Sagiv^[3] 在Si片上采用了用十八烷基三氯硅烷形成的SAMs的方法。在1983年Nuzzo和Allara在金表面吸附二正烷基二硫化物(di-n-alkyl disulfides)制备了SAMs^[4]，随后，有相关研究显示，烷硫醇可以与二硫化物达到一样的成膜效果^[5]。从此，多种制备硫醇SAMs的体系逐渐发展起来，主要包括硫醇/Au、Ag、Cu，双硫醇/Au，硫醇/砷化镓(GaAs)。九十年代以来，自组装膜这一领域得到了突破性的进展，通过分子间氢键、静电、范德华力或疏水亲脂等弱相互作用形成的有序SAMs。

自组装单分子膜(SAMs)是通过分子间及其与基底材料间物理和化学相互作用，而自发形成的一种热力学稳定，排列规则有序，且具有某种特定功能的的单层膜。由于硫烷醇在金属表面自组装膜制备操作简单，有序性较高，使得烷基硫醇在金属表面自组装单分子膜的制备技术取得了巨大进展，烷基硫醇在金属表面自组装单分子膜的成膜过程、表面膜结构、成膜特点和成膜的机理如今都有较系统的研究^[6]。

SAMs制备方法十分简单，只需在室温下将某种材料的基底放入自组装分子的有机溶液中静置过夜，组装分子的头基与基底通过化学吸附原理自发进行了化学反应，形成了排列紧密的且具有一定取向的有序SAMs。如图1.1所示，一个自组装单分子膜通常由三部分构成：第一部分是以共价键或者离子键相互作用的组装分子头基和基底，基底材料可以为Au、Ag、Si、SiO₂等等。第二部分是分子的基链，基链间通过范德华力使组装分子在基底表面排列有序，常用的基链有烷基链、芳基链等。第三部分是分子的末端功能团，如有－COOH、－OH、－CH₃、－CF₃等^[8]。SAMs的结构与性能通常由自组装分子性质、溶液性质和浓度、浸入时间等因素决定^[9]。

图1.1自组装单分子膜示意图，以CF₃(CH₂)₇SH为例^[7]

自组装单分子膜的主要特征^[10]有四个方面：（1）操作灵活简单且制备方便，具有自发形成高稳定的热力学性质；（2）在基底表面组装分子排列紧密有序，缺陷少；（3）可人为设计膜表面的结构或有机合成不同结构的自组装分子来获得既定的物理和化学性质，进而从分子水平上控制界面的微结构，使制膜有很大的可控性；（4）SAMs功能上具有分子识别功能和选择性响应。

目前，葡萄糖氧化酶、核酸传感器等生物功能分子在基底表面的固定化已经基于这一简单的自组装方式而得以发展应用，生物电化学研究，研究蛋白质吸附作用以及模拟生物膜电子传递过程，在润滑、防腐、电子转移反应、分子器件、非线性光学等界面化学与材料学领域有广泛的应用前景，在生物学、医学、药学及材料学研究方面都具有非常重要意义和作用^[9]。

1.3混合双层膜（HBM）的制备

人类不断深入对SAMs体系的研究，高稳定性的烷基SAMs具有疏水性的表面，利用这种硫醇SAMs作为固体基底构造混合双层膜，结构如图1.2（b）所示,可以用来模拟天然双层膜的基本结构。这种硫醇/磷脂自组装混合双层膜（HBM）与传统的平板双层磷脂膜（BLM）相比具有良好稳定性，且依旧具有流动性，在实验操作上的重复性和简便性上具有明显优势，在这些方面甚至优于在其它固相载体上形成的固相支撑双层磷脂膜（SSBM）。

图1.2 SAMs与HBM的结构示意图。图（a）为硫醇SAMs，图（b）为磷脂/硫醇HBM